EP1031868B1 - Kompensierter Parallel-Strahlteiler mit zwei Platten sowie Interferometer - Google Patents

Kompensierter Parallel-Strahlteiler mit zwei Platten sowie Interferometer Download PDF

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EP1031868B1
EP1031868B1 EP00102274A EP00102274A EP1031868B1 EP 1031868 B1 EP1031868 B1 EP 1031868B1 EP 00102274 A EP00102274 A EP 00102274A EP 00102274 A EP00102274 A EP 00102274A EP 1031868 B1 EP1031868 B1 EP 1031868B1
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EP
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beam splitter
rays
bundle
emergent
boundary surface
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Erwin Spanner
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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    • G01B9/02—Interferometers
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/70—Using polarization in the interferometer

Definitions

  • the present invention relates to a beam splitter assembly their use as well as an interferometer with a beam splitter assembly.
  • Interferometers generally contain one or more beam splitter assemblies, which are used to physically split a beam into a measuring beam path and a reference beam path; Often there is also talk of a measuring and reference arm. In the opposite direction of the beam, this assembly is usually used to combine the measurement and reference beam paths.
  • the optical axes in the measuring and reference arm are oriented differently to one another.
  • the measuring and reference arm can be aligned approximately perpendicular to one another or parallel to one another.
  • beam splitter cubes are usually used, onto which a triple prism is cemented, which forms the reference arm. For this, reference is made, for example, to US 4,802,765.
  • a so-called Kösters prism is usually used as a suitable beam splitter.
  • Such a prism is shown as a classic beam splitter element, for example in the textbook “Components of Optics", Naumann / Schröder, Carl Hanser Verlag, 6th edition, p. 184.
  • a disadvantage of such a variant of a beam splitter assembly group is that it is relatively complex to manufacture. In the event of production-related pyramidal errors in the Kösters partial prisms, a beam path results which deviates more or less from the ideal beam path.
  • the parallelism of the two exit beams depends sensitively on the angle of incidence of the incident beam to the beam splitter assembly that is as correct as possible; Even a slight tilt compared to the ideal axis of incidence causes a significant convergence or divergence of the two exit beams. Likewise, a possible parallel offset of the incident ray bundle with respect to the ideal axis of incidence has a clear effect on the distance between the two exit ray bundles.
  • a beam splitter assembly is now known from US Pat. No. 5,675,412 basically bypasses these problems.
  • the two components that make up a beam splitting or have beam-deflecting optical effects in the assembly, are arranged separately from each other and must therefore can be adjusted to each other in a highly precise manner so that the emerging two beams also run parallel to each other.
  • a further variant of a beam splitter assembly for an interferometer, which supplies two beams oriented parallel to one another, is also disclosed in US Pat. No. 5,808,739.
  • An incident beam of rays strikes a first arrangement of two plane plates arranged in parallel, which are fixed to one another by spacers.
  • a beam splitter layer is arranged on the back of the first plane plate, which splits the incident beam into a transmitted beam component ART and a reflected beam component ARR.
  • the reflected beam component ARR leaves the first plate again after passing through it again and arrives at a second arrangement of two spaced-apart plane plates. After repeated reflection in the second arrangement, this beam component ARR leaves the beam splitter arrangement in the direction of the reflector.
  • the beam component ART transmitted through the beam splitter layer of the first arrangement is reflected on a reflecting layer of the second plane plate and is deflected again in the direction of the first plane plate. After passing through the first plane plate again, this beam portion ART leaves the first plane plate arrangement parallel to the beam portion ARR.
  • EP 0 469 718 A2 is Beam splitter assembly known, of which in the formulation of the Preamble of the independent claims was assumed.
  • the beam splitter assembly proposed in this publication includes a plane-parallel beam splitter element with a prism on the beam exit surface is cemented, through which the two parallel exit beams Leave the beam splitter assembly.
  • a disadvantage of this Beam splitter assembly should be mentioned that in the case of Temperature changes in the plane-parallel beam splitter element and in the prism the two exit beams due to different, covered path lengths are influenced differently, in particular different changes in the optical path lengths Experienced. However, these changes are not measurement-related and lead consequently to incorrect measurements.
  • a first sub-object of the present invention is therefore a beam splitter assembly Specify in particular for an interferometer that a incident rays in at least two emerging, parallel ones Beams split up. The highest possible level of insensitivity is required compared to not optimally aligned, incident beams. Furthermore, there should be no major manufacturing requirements to be made in the manufacture of the beam splitter assembly.
  • a second sub-object of the present invention is an interferometer to indicate, where possible the problems addressed above do not occur.
  • a use is in claim 15 augsgeten.
  • An interferometer in which the shortcomings according to the second subtask are eliminated is the subject of claim 16.
  • the beam splitter assembly according to the invention essentially consists of two separate elements, namely a beam splitter element and one Compensation element. Both elements of the beam splitter assembly are here designed as plane-parallel plates, i.e. compliance with parallelism requirements to the respective interfaces does not require a special one manufacturing effort, a possible adjustment of the same. Furthermore, the beam splitter assembly according to the invention ensures that even in the case of an entry beam which is not optimally aligned the at least two exit beams are largely parallel to one another run or the distance between the two exit beams as far as possible preserved.
  • the proposed beam splitter assembly and the associated adjustment tolerance furthermore allows a certain flexibility in the structure of the invention Interferometer in which the same is used. So in particular a modular, non-calibration structure of the interferometer measuring head possible, consisting of an optics module and an electronics module.
  • the first module includes here the invention
  • the beam splitter assembly contains the latter module, among other things. the Detector elements for detecting the interference signals.
  • interferometer according to the invention can be flexible for a wide variety Applications, i.e. for example also for combined detection of linear and rotational movements etc.
  • the basic structure of the invention is shown below with reference to FIG Beam splitter assembly based on a first embodiment explained.
  • the beam splitter assembly according to the invention of this exemplary embodiment comprises with a beam splitter element 1 and a compensating element 2 in essentially two components. Not shown in Figure 1 for reasons the other interferometer elements such as Light source, reflector elements, detector elements, evaluation unit etc.
  • the light source e.g. beam of rays supplied by a HeNe laser first reaches the beam splitter element as an entrance beam S 1.
  • This element 1 is a transparent plate with at least two exactly parallel interfaces 1.1, 1.2 are formed.
  • plate material are e.g. standard optical glasses such as BK7. Alternatively, too Quartz glass and, if necessary, Zerodur are used.
  • At the entry interface 1.1 in this exemplary embodiment only takes place in the entrance area a refraction of the entrance beam S in the direction of the drawn Lot L of the entry interface 1.1.
  • the entrance ray bundle S enters the beam splitter element 1 against the solder L at an angle ⁇ or the transparent plate.
  • the angle ⁇ is in one possible embodiment chosen here as Brewster angle ⁇ ⁇ 57 ° if as plate material Glass is used.
  • the entrance beam S strikes the second interface 1.2, which is at least in the area of impact for the Entry beam S is designed as a beam splitter surface 1.3.
  • the beam splitter surface 1.3 splits the entrance beam S in two partial beams SR, ST.
  • the partial beam SR is here reflected on the beam splitter surface 1.3 and again in the direction of the first Interface 1.1 redirected; the second partial beam ST, however passes through the beam splitter surface 1.3 in the direction of the compensating element 2.
  • the first exit beam SA1 is thus present, which another - not shown - interferometer beam path as a measuring or reference beam can be used.
  • the partial beam bundle ST transmitted at the beam splitter surface 1.3 arrives then on a first interface 2.1 of the compensating element 2, is broken at the interface 2.1 and passes through the compensation element 2 without further deflection up to the second interface 2.2, through which it leaves the compensating element 2 as the second exit beam SA2.
  • the second exit beam SA2 can then again be used as a measuring or Reference beams are used in the further interferometer beam path become.
  • the compensating element 2 is also formed in the embodiment shown as a plane-parallel plate with two mutually parallel interfaces, that is, the inlet and outlet interfaces 2.1, 2.2 are oriented highly precisely parallel to one another.
  • the materials already specified above for the beam splitter element 1 are in turn suitable as the material for the compensating element 2.
  • the essential optical functions of the compensating element 2 can now be seen in the fact that it can be ensured that the two exit beams SA1, SA2 ultimately cover essentially the same optical path lengths in the corresponding elements 1, 2. In the exemplary embodiment shown, this is ensured in that the thickness D 2 of the compensating element 2 is selected twice as large as the thickness D 1 of the beam splitter element 1.
  • the above requirement can be implemented, as mentioned, simply by choosing the double thickness D 2 of the compensating element 2 in comparison to the thickness D 1 of the beam splitter element 1, since the two elements are made of the same material.
  • the exit beams SA1, SA2 have substantially the same optical path lengths in the elements 1, 2 of the beam splitter assembly, whereby the optical path length is understood to be the product of the geometric path length and refractive index.
  • Such a design of the compensating element 2 ensures that even in the event of possible temperature fluctuations, the two exit beams SA1, SA2 in the beam splitter assembly according to the invention are subject to the same influences and are consequently influenced identically.
  • Another positive side effect is related to the function to perform the compensating element 2, so that an enlargement of the Distance A of the two exit beams SA1 and SA2 can be reached can. This allows the beam paths of the two exit bundles of rays SA1, SA2 to certain structural conditions of the interferometer structure to adjust.
  • the compensating element 2 is spaced slightly apart to be arranged by the beam splitter element 1, e.g. through a narrow Air gap separated.
  • this element is alternatively trimmed open 2 on the beam splitter element 1 could be due to a beam shear so-called putty defects, e.g. a possibly wedge-shaped kit layer become.
  • putty defects e.g. a possibly wedge-shaped kit layer become.
  • cementing would be an additional step represent in the manufacture of the assembly.
  • the beam splitter surface 1.3 in the beam splitter element 1 has an optical polarization effect, ie the two exit beams SA1 and SA2 have directions of polarization oriented perpendicular to one another.
  • the reflector surface 1.4 of the beam splitter element 2 is designed as a highly reflective dielectric layer package. If, in such an embodiment, the beam splitter surface is designed in such a way that the transmitted partial beam bundle ST has p-polarization, there is a further positive side effect in the case of the above-mentioned angle of incidence ⁇ ⁇ 57 °. In this case, no anti-reflective coating or coating has to be applied to the interfaces 2.1, 2.2 of the compensating element 2, ie there is a reduced manufacturing effort.
  • the beam splitter surface 1.3 or the reflector surface 1.4 is in no way essential to the invention Rather, well-known alternatives to this are in the Realizable within the scope of the present invention.
  • the beam splitter area 1.3 can also be designed as a so-called neutral divider, which is both dielectric can also be metallic.
  • the reflector surface 1.4 is also possible to implement the reflector surface 1.4 as a metallic reflector surface, for example in the form of an Al or Ag coating, etc. In both cases, only the beam splitting or beam reflecting is Effect of the respective areas relevant in the context of the present invention.
  • FIG. 1 Shown here is the exemplary embodiment of the beam splitter assembly described in FIG. 1, wherein in addition to an optimally entering entrance beam S, another entry beam S ′ is shown, which enters the beam splitter assembly in a departure from the ideal direction of incidence.
  • this means that the beam splitter assembly is arranged, for example, rotated relative to the entrance beam S.
  • the entrance ray bundle S 'enters the beam splitter assembly or the beam splitter element 1 at an angle ⁇ relative to the ideal direction of incidence or the entrance ray bundle S.
  • FIG. 2b shows how a possible parallel offset ⁇ d of the entrance ray bundle S 'from the ideal direction of incidence of an entrance ray bundle S affects the two exit ray bundles SA1', SA2 '.
  • this would in turn mean that there is a parallel offset of the beam splitter assembly with respect to the entrance beam S ', for example caused by non-optimal adjustment of the beam splitter assembly.
  • FIG. 3 A schematic view of a first embodiment of the interferometer according to the invention, in which the beam splitter assembly described above is used, is shown in FIG. 3.
  • the interferometer 50 according to the invention in this case comprises a light source 51, for example a known HeNe laser, the output beam of which enters the beam splitter assembly 100 according to the invention as an entrance beam S.
  • a light source 51 for example a known HeNe laser
  • the beam splitter assembly 100 exit two parallel exit beams SA1, SA2.
  • the first exit beam SA1 arrives in a reference arm of the interferometer 50, in which a stationary reference reflector 53 is arranged at a distance from the beam splitter assembly 100.
  • the reference reflector 53 is preferably designed as a known triple prism.
  • the second exit beam in turn enters the actual measuring arm of the interferometer 50, in which a measuring reflector 54 is movably arranged in the measuring direction x, the relative or possibly absolute position of which is to be determined.
  • the measuring reflector 54 is also designed as a triple prism.
  • the beam splitter assembly essentially comprises two components: a beam splitter element 21, a compensation element 22.
  • Both the beam splitter element 21 and the compensating element 22 are, as in the previous exemplary embodiment, in the form of a plane-parallel plate which is produced from the materials already specified above.
  • the entry beam S in turn strikes a first interface 21.1 of the beam splitter element 21.
  • the first interface 21.1 is now designed as a beam splitter surface 21.3.
  • the entrance beam S is split on the beam splitter surface 21.3 into a first partial beam ST and a second partial beam SR.
  • the first partial beam bundle ST passes through the beam splitter surface 21.3 and, after passing through the beam splitter element 21, strikes the second boundary surface 21.2 thereof, which is designed as a reflector surface 21.4 in this partial region.
  • the partial beam bundle ST is in turn reflected back from the reflector surface 21.4 in the direction of the first boundary surface 21.1, which is then transmitted in a partial region and where a corresponding refraction takes place during the transition from glass to air.
  • the second partial beam bundle SR reflected on the beam splitter surface 21.3 is in the direction of the compensating element 22 or in the direction of a first Interface 22.1 redirected the same.
  • the partial beam bundle SR passes through the compensating element 22 and occurs at the second interface 22.2 the same as the second exit beam SA2 from this again Component 22.
  • Beam splitter assembly is based on the previous description referred to the first embodiment.
  • each with two parallel exit beams SA1, SA2, SB1, SB2 are generated.
  • One pair each of the exit ray bundles SA1, SA2, SB1, SB2 is used to measure a coordinate axis x or y.
  • the beam splitter assembly according to the invention now includes in addition to one Beam splitter element 31 has two further compensating elements 32A, 32B in each of the two exit directions x, y.
  • the compensation elements 32A, 32B are again as plane-parallel plates with at least two oriented parallel to each other Interfaces formed.
  • the entry beam S in turn strikes the first boundary surface 31.1 of the beam splitter element 31, which has a first beam splitter surface 31.3 in this partial area. While the beam splitting ratio at the respective beam splitter surfaces was generally selected as 1: 1 in the previous variants, a specific ratio of the intensities of the reflected and transmitted partial beams is now important.
  • the first partial beam bundle SR is deflected on the beam splitter surface 31.3 in the direction of the first compensating element 32.B, enters through its first boundary surface 32.B1, passes through it and leaves the first compensating element 32.B as the first exit beam bundle SB1 in (negative) x -Direction.
  • the second partial beam bundle ST passes through the beam splitter element 31 in the direction of the second boundary surface 31.2 of the beam splitter element 31 and strikes in a partial area in which a second beam splitter surface 31.5 is arranged.
  • the second partial beam bundle STR is in turn reflected back in the direction of the first boundary surface 31.1 of the beam splitter element 31 and strikes in a partial region thereof, which is effective as the beam splitter surface 31.6 and is referred to below as the third beam splitter surface 31.6.
  • the partial beam bundle transmitted on the third beam splitter surface 31.6 finally leaves the beam splitter element 31 and thus the beam splitter assembly as a second exit beam bundle SB2 parallel to the first exit beam bundle SB1.
  • the third partial beam STT which the second beam splitter surface 31.5 passes, the second compensating element 32.A.
  • To the entry of the partial beam STT through the first interface 32.A1 of the compensation element 32.A passes through the partial beam STT Compensating element 32.A and leaves the second compensating element 32.A through the second interface 32.A2 as the third exit beam SA2 in the y direction.
  • the partial beam bundle STRR reflected on the third beam splitter surface becomes in the direction of the second interface 31.2 of the beam splitter element 31 deflected and passes through this interface 31.2 in a partial area in which is only broken at the transition from glass to air. It the fourth exit beam results from this partial beam STRR SA1, which is oriented parallel to the third exit beam SA2 is.
  • the two pairs of parallel exit beams SA1, SA2, SB1, SB2 are oriented orthogonally to one another and can be used in corresponding Interferometer arrangements in turn to determine the position a measuring reflector can be used, e.g. explained with reference to FIG. 3 has been.
  • FIG. 6 A second embodiment of the interferometer 60 according to the invention is shown in Figure 6.
  • This variant now not only enables detection the linear movement of an object to be measured but also the simultaneous measurement of a possible rotational movement of a linear sliding assembly. Corresponding tasks are around in the field of semiconductor manufacturing systems, e.g. for wafer steppers Etc..
  • FIG. 6 An essential difference from the first interferometer variant according to the invention in FIG. 3 is that the embodiment shown in FIG. 6 comprises two measuring reflectors 54A, 54B which are designed as triple prisms and are arranged together in a structural unit 55.
  • the assembly 55 is arranged to be displaceable in the x direction with respect to the remaining interferometer components; moreover, due to guiding tolerances, the assembly 55 can also rotate about the axis z, which is oriented perpendicular to the plane of the drawing. Both the displacement in the x direction and the rotation about the z axis can be detected with the aid of the second interferometer variant according to the invention.
  • the interferometer 60 comprises a light source 61, which supplies the entrance beam S which arrives in the beam splitter assembly 200. It now has a modified structure for this application. For example, similar to FIG. 5, in addition to a beam splitter element 41, two compensating elements 42A, 42B are provided, which are arranged at a slight distance from the beam splitter element 41 in the manner shown.
  • the beam splitter element 41, the first compensating element 42A and the second compensating element 42B are in turn designed as plane-parallel plates made of the materials listed above.
  • a total of three partial areas are formed as reflector surfaces 41.1, 41.2, 41.3; alternatively, a single continuous reflector layer could of course also be used at this point.
  • two partial areas are formed as beam splitter surfaces 41.4, 41.5; Between the beam splitter surfaces 41.4, 41.5, a further partial area is designed as a reflector surface 41.6.
  • the beam splitter surfaces 41.4, 41.5 are designed with respect to the beam splitting ratio so that the partial beam bundles that ultimately come to interference have the same intensities as possible.
  • the variant of the beam splitter assembly 200 shown provides three parallel exit beams SA1, SA2, SA3 on the output side.
  • Two of the exit beam bundles SA1, SA3 are used as measuring beams which strike the two measuring reflectors 54A, 54B in the unit 55.
  • the third exit beam SA2 is used as a reference beam and strikes the stationary reference reflector 63, which is also designed as a retroreflective triple prism.
  • the two back-reflected beam bundles SA2R and SA3R reach the beam splitter assembly 200 or there the second compensation element 42B and the beam splitter element 41.
  • the reflected beam SA1R arrives at a further beam splitter assembly 300, which is only indicated schematically in FIG. 6.
  • the beam bundle SA1R is in turn split by the second beam splitter assembly 300 into two parallel exit beam bundles SA1R1, SA2R2, which then impinge on the first compensation element 42A.
  • the second beam splitter assembly 300 all that needs to be said is that two parallel exit beams must be able to be generated from an incident entrance beam.
  • a beam splitter assembly according to the invention as described with reference to FIG. 1 could therefore be used at this point.
  • the beam bundle SA1R1 supplied by the second beam splitter assembly 300 is combined in the beam splitter element 41 with the beam bundle SA3R reflected back by the measuring reflector 54B; these two beams SA1R1, SA3R, as beams SIFW, reach a first detector unit 65.1 as a first pair of beams capable of interference.
  • the beam of rays SIFW or the corresponding interference signal in this case provides the information relating to a possible rotation of the unit 55 about the z-axis.
  • the beam SA1 R2 supplied by the second beam splitter assembly 300 is combined in the beam splitter element 41 with the beam SA2R reflected back by the stationary measuring reflector 63; these two beams SA1 R2, SA2R as a beam SIFL reach a second detector unit 65.2 as a second pair of beams capable of interference.
  • the beam SIFL provides the information regarding a linear displacement of the unit 55 along the measuring direction x.
  • the interference signals detected by the two detector units 65.1, 65.2 are transferred to a downstream evaluation unit 66 for further processing.
  • the interference that occurs also applies to the respective optical path lengths in the interferometer, e.g. covered in glass and air were identical.
  • the thickness of the second compensation element 42B selected twice as large as the thickness of the beam splitter element 41; the thickness of the first compensation element 42A is again selected four times as large as the thickness of the beam splitter element 41.
  • this embodiment can be provided by the different reflectors 54A, 54B, 63 returning rays SA1 R, SA2R, SA3R not in the same Reflecting back plane in which the rays SA1, SA2, SA3 are incident on the reflectors 54A, 54B, 63, i.e. in the drawing plane; it can also be provided, the rays SA1R, SA2R, SA3R perpendicular to the plane of incidence back to the beam splitter assembly 200 reflect.
  • This offers advantages in terms of the resulting Size of the beam splitter assembly 300 as well as the design of the different beam splitter and reflector surfaces in the beam splitter assembly 300th
  • the linearly polarized entrance beam S coming from a light source (not shown in FIG. 7) first arrives again at the beam splitter assembly 400, which in this embodiment comprises a further reflector element 75 in addition to the beam splitter element 71 and the compensation element 72.
  • a subarea is provided on the interface of the beam splitter element 71 facing the incident entrance beam S, which serves as a reflector surface 71.1; on the opposite interface, a partial area is designed as a beam splitter surface 71.2.
  • the beam splitter assembly 400 in turn supplies two parallel exit beams SA1, SA2.
  • the first exit beam SA1 arrives in the reference arm of the interferometer on a reference reflector 73, which is designed as a retroreflective triple prism.
  • the beam SA1R is reflected back by the reference reflector 73 in the direction of the beam splitter assembly 400 and is brought together with a second beam SA2R ', so that a pair of interference beams SIF reaches the detector unit (not shown in FIG. 7).
  • the second interference beam SA2R ' results here in the manner explained below from the second exit beam SA2 which leaves the beam splitter assembly 400 in the direction of the measuring reflector 74 which is movable in the x direction.
  • the measuring reflector 74 is now designed as a spatially extended plane mirror.
  • the exit beam SA2 which is still linearly polarized, passes through a polarization-changing element 76 in the form of a ⁇ / 4 plate, through which it receives a circular polarization, before striking the measuring reflector 74.
  • the beam SA2R After the back reflection at the measuring reflector 74, the beam SA2R has an opposite circular polarization.
  • the ⁇ / 4 plate 76 After passing through the ⁇ / 4 plate 76 again, there is a linearly polarized beam, the plane of polarization being oriented perpendicularly to that of the original entry beam S.
  • the beam SA2R polarized in this way strikes the beam splitter surface 71.2 and is now completely reflected in the direction of the retroreflective reflector element 75.
  • the beam SA2R ' After reflection back via the reflector element 75 onto the beam splitter surface 71.2, there is another complete reflection in the direction of the compensating element 72 before the beam SA2 'leaves the beam splitter assembly 400 in the direction of the measuring reflector 74. After passing through the ⁇ / 4 plate 76, there is again a circularly polarized beam which strikes the measuring reflector 74. After the back reflection at the measuring reflector, the beam SA2R 'in turn has the reverse circular polarization; after passing through the ⁇ / 4 plate 76, the beam SA2R 'is linearly polarized, the plane of polarization now being perpendicular to the plane of polarization of the beam SA1R with which it is finally superimposed.
  • the beam SA2R ' is brought together with the beam SA1R within the beam SIF, which finally reaches the detector unit and supplies the displacement-dependent interference signal.
  • the requirement for the same optical path lengths covered in glass and air is also met, although the beam splitter element 71 and the compensation element 72 have the same thickness within the beam splitter assembly. Due to the two or four passes through the compensating element 72, the above requirement is also met in this configuration.
  • interferometer variant in FIG. 7 it is also possible to design them as a differential plane mirror interferometer.
  • FIG. 8 A further modification of the interferometer embodiment from FIG. 7 is finally shown in FIG. 8.
  • the movable measuring reflector 84 is designed as a plane mirror, while a triple prism serves as a stationary reference reflector 83.
  • the fourth exemplary embodiment of the interferometer according to the invention essentially corresponds to the structure of the previous, third exemplary embodiment.
  • the beam splitter assembly 500 in turn comprises a beam splitter element 81 with interface partial areas which are effective as reflector surfaces 81.1 and as beam splitter surfaces 81.2.
  • a polarization-changing optical element 86 in the form of a ⁇ / 4 plate is arranged in the measuring arm.
  • the arrangement of the second reflector element 85.2 shown ultimately results in a second pass of the beams through all the interferometer components before a pair of interfering beams SIF reaches a detector unit, which is again not shown.
  • the essential effect of this double passage of the different beams through the different interferometer components results in a halved signal period in the generated interference signal compared to the previous example.
  • this variant would also be possible trained as a differential plane mirror interferometer. This would be as above i.w. a second plane mirror measuring reflector is required, on which then two of the four corresponding exit beams SA2, SA2 'strike.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlteilerbaugruppe deren Vorwendung sowie ein Interferometer mit einer Strahlteilerbaugruppe.
Interferometer enthalten in der Regel ein oder mehrere Strahlteiler-Baugruppen, die zur physikalischen Aufspaltung eines Strahlenbündels in einen Meßstrahlengang und einen Referenzstrahlengang dienen; oft ist hierbei auch von Meß- und Referenzarm die Rede. In umgekehrter Strahl-Richtung dient diese Baugruppe in der Regel zur Vereinigung der Meß- und Referenzstrahlengänge. Je nach Interferometer-Variante sind die optischen Achsen in Meß- und Referenzarm unterschiedlich zueinander orientiert. So können Meß- und Referenzarm etwa senkrecht zueinander ausgerichtet sein oder aber parallel zueinander.
Im erstgenannten Fall werden dabei in der Regel Strahlteilerwürfel verwendet, auf die ein Tripelprisma aufgekittet ist, welches den Referenzarm bildet. Hierzu sei z.B. auf die US 4,802,765 verwiesen.
Im zweiten Fall mit parallelen Meß- und Referenzstrahlengängen wird zumeist ein sog. Kösters-Prisma als geeigneter Strahlteiler eingesetzt. Ein derartiges Prisma ist als klassisches Strahlteilerelement etwa im Lehrbuch "Bauelemente der Optik", Naumann/Schröder, Carl Hanser Verlag, 6. Auflage, S. 184 gezeigt. Als nachteilig an einer derartigen Variante einer Strahlteiler-Baugrupe ist zunächst anzuführen, daß es relativ aufwendig in der Herstellung ist. Im Fall eventueller, fertigungsbedingter Pyramidalfehler der Kösters-Teilprismen resultiert ein Strahlengang, der mehr oder weniger vom idealen Strahlengang abweicht. Desweiteren erweist sich als entscheidender Nachteil, daß die Parallelität der beiden Austritts-Strahlenbündel empfindlich vom möglichst korrekten Einfallswinkel des Einfalls-Strahlenbündels zur Strahlteiler-Baugruppe abhängt; bereits eine geringe Verkippung gegenüber der idealen Einfallsachse bewirkt eine signifikante Konvergenz bzw. Divergenz der beiden Austritts-Strahlenbündel. Ebenso wirkt sich ein eventueller Parallelversatz des Einfalls-Strahlenbündels gegenüber der idealen Einfallsachse deutlich auf den Abstand der beiden Austritts-Strahlenbündel aus. Insbesondere bei relativ großen optischen Weglängen zwischen der Strahlteiler-Baugruppe und den nachgeordneten Meß- und Referenzreflektoren im Meß- und Referenzarm sind derartige undefinierte Änderungen in der Ausbreitungsrichtung der die Strahlteiler-Baugruppe verlassenden Strahlenbündel als nachteilig anzusehen, da nachfolgende Optik-Komponenten im Strahlengang exakt zu diesen Strahlenbündeln ausgerichtet werden müssen. Es ist demzufolge ein großer Justageaufwand in Bezug auf den möglichst korrekten Einfall des Eintritts-Strahlenbündels erforderlich.
Aus der US 5,675,412 ist nunmehr eine Strahlteiler-Baugruppe bekannt, die diese Probleme grundsätzlich umgeht. Die beiden Bauteile, die eine strahlteilende bzw. strahlablenkende optische Wirkung in der Baugruppe aufweisen, sind jedoch separat voneinander angeordnet und müssen demzufolge hochexakt zueinander justiert werden, damit die austretenden zwei Strahlenbündel auch parallel zueinander verlaufen.
Eine weitere Variante einer Strahlteiler-Baugruppe für ein Interferometer, die zwei parallel zueinander orientierte Strahlenbündel liefert, ist desweiteren in der US 5,808,739 offenbart. Hierbei trifft ein einfallendes Strahlenbündel auf eine erste Anordnung aus zwei parallel angeordneten Planplatten, die zueinander durch Abstandshalter fixiert werden. Auf der Rückseite der ersten Planplatte ist eine Strahlteilerschicht angeordnet, die den einfallenden Strahl in einen durchgelassenen Strahlanteil ART und einen reflektierten Strahlanteil ARR aufspaltet. Der reflektierte Strahlanteil ARR verläßt nach nochmaligem Durchlauf wieder die erste Platte und gelangt auf eine zweite Anordnung aus zwei beabstandet angeordneten Planplatten. Nach mehrmaliger Reflexion in der zweiten Anordnung verläß dieser Strahlanteil ARR die Strahlteiler-Anordnung in Richtung Reflektor. Der an der Strahlteilerschicht der ersten Anordnung durchgelassene Strahlanteil ART wird an einer reflektierenden Schicht der zweiten Planplatte reflektiert und wieder in Richtung der ersten Planplatte umgelenkt. Nach nochmaligem Durchtritt durch die erste Planplatte verläßt dieser Strahlanteil ART parallel zum Strahlanteil ARR die erste Planplattenanordnung.
Um bei dieser vorgeschlagenen Strahlteilervariante die erwünschten Vorteile zu erreichen, ist es nötig, innerhalb der ersten Anordnung die beiden Planaplatten hochexakt parallel zueinander auszurichten; hierzu ist wiederum ein entsprechender Justageaufwand beim Zusammenbau bzw. Fertigungsaufwand bei der Herstellung der zwischen den Planplatten angeordneten Abstandshalter erforderlich.
Aus der EP 0 469 718 A2 ist schließlich eine weitere Variante einer Strahlteilerbaugruppe bekannt, von der bei der Formulierung des Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche ausgegangen wurde. Die in dieser Druckschrift vorgeschlagene Strahlteilerbaugruppe umfasst ein planparalleles Strahlteilerelement, an dessen Strahlaustrittsfläche ein Prisma angekittet ist, durch das die beiden parallelen Austritts-Strahlenbündel die Strahlteilerbaugruppe verlassen. Als nachteilig an dieser Strahlteilerbaugruppe ist anzuführen, dass im Fall von Temperaturänderungen im planparallelen Strahlteilerelement und im Prisma die beiden Austrittsstrahlenbündel aufgrund unterschiedlicher, zurückgelegter Weglängen unterschiedlich beeinflusst werden, insbesondere unterschiedliche Änderungen der optischen Weglängen erfahren. Diese Änderungen sind jedoch nicht messbedingt und führen demzufolge zu Fehlmessungen.
Eine erste Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Strahlteilerbaugruppe insbesondere für ein Interferometer anzugeben, die ein einfallendes Strahlenbündel in mindestens zwei austretende, parallele Strahlenbündel aufspaltet. Gefordert ist hierbei eine möglichst hohe Unempfindlichkeit gegenüber nicht optimal ausgerichteten, einfallenden Strahlenbündeln. Ferner sollen keine großen fertigungstechnischen Anforderungen an die Herstellung der Strahlteilerbaugruppe zu stellen sein. Eine zweite Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Interferometer anzugeben, bei dem die oben angsprochenen Probleme möglichst nicht auftreten.
Eine Strahlteilerbaugruppe für ein Interferometer, die den Anforderungen gemäß der ersten Teilaufgabe genügt, ist Gegenstand des Patentanspruches 1. Eine Verwendung ist in Anspruch 15 augsgeten. Ein Interferometer, bei dem die Unzulänglichkeiten gemäß der zweiten Teilaufgabe beseitigt sind, ist Gegenstand des Patentanspruches 16.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strahteilerbaugruppe bzw. des erfindungsgemäßen Interferometers ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den jeweils abhängigen Patentansprüchen aufgeführt sind.
Die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe besteht im wesentlichen aus zwei separaten Elementen, nämlich einem Strahlteilerelement und einem Ausgleichselement. Beide Elemente der Strahlteilerbaugruppe sind hierbei als planparallele Platten ausgebildet, d.h. die Einhaltung von Parallelitätsanforderungen an die jeweiligen Grenzflächen erfordert weder einen besonderen fertigungstechnischen Aufwand noch eine eventuelle Justage derselben. Desweiteren gewährleistet die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe, daß auch im Fall eines nicht optimal ausgerichteten Eintritts-Strahlenbündels die mindestens zwei Austritts-Strahlenbündel weitestgehend parallel zueinander verlaufen bzw. der Abstand der beiden Austritts-Strahlenbündel weitestgehend erhalten bleibt.
Die vorgeschlagene Strahlteilerbaugruppe und die damit verbundene Justagetoleranz erlaubt desweiteren eine gewisse Flexibilität im Aufbau des erfindungsgemäßen Interferometers, in dem dieselbe eingesetzt wird. So ist insbesondere ein modularer, justageunkritischer Aufbau des Interferometer-Meßkopfes möglich, bestehend aus einem Optik-Modul und einem Elektronik-Modul. Ersteres Modul enthält u.a. hierbei die erfindungsgemäße Strahlteiler-Baugruppe, das letztgenannte Modul enthält hingegen u.a. die Detektorelemente zum Erfassen der Interferenzsignale.
Desweiteren kann das erfindungsgemäße Interferometer flexibel für verschiedenste Applikationen ausgelegt werden, d.h. beispielsweise auch zur kombinierten Erfassung von Linear- und Rotationsbewegungen etc..
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe sowie des erfindungsgemäßen Interferometers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen.
Dabei zeigt
Figur 1
den Strahlengang einer ersten Ausführungs-form der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe;
Figur 2a und 2b
die Verhältnisse im Fall einer Abweichung des Eintritts-Strahlenbündels von der idealen Einfallsrichtung;
Figur 3
den Strahlengang eines ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers, in dem die obige, erste Ausführungsform der Strahlteilerbaugruppe eingesetzt wird.
Figur 4
den Strahlengang einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe;
Figur 5
den Strahlengang einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe;
Figur 6
den Strahlengang einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers;
Figur 7
den Strahlengang einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers;
Figur 8
den Strahlengang einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers.
Anhand von Figur 1 sei nachfolgend der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe anhand eines ersten Ausführungsbeispieles erläutert. Die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe dieses Ausführungsbeispieles umfaßt mit einem Strahlteilerelement 1 und einem Ausgleichselement 2 im wesentlichen zwei Komponenten. Nicht dargestellt sind in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit hierbei die weiteren Interferometer-Elemente wie Lichtquelle, Reflektorelemente, Detektorelemente, Auswerteeinheit etc..
Das von der Lichtquelle, z.B. von einem HeNe-Laser, gelieferte Strahlenbündel gelangt als Eintritts-Strahlenbündel S zunächst auf das Strahlteilerelement 1. Dieses Element 1 ist als transparente Platte mit mindestens zwei exakt parallelen Grenzflächen 1.1, 1.2 ausgebildet. Als Plattenmaterial eignen sich z.B. optische Standardgläser wie BK7. Alternativ kann auch Quarzglas sowie ggf. Zerodur zum Einsatz kommen. An der Eintritts-Grenzfläche 1.1 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel im Eintrittsbereich lediglich eine Brechung des Eintritts-Strahlenbündels S in Richtung des eingezeichneten Lotes L der Eintrittsgrenzfläche 1.1 hin. Das Eintritts-Strahlenbündel S tritt hierbei unter dem Winkel α gegen das Lot L in das Strahlteilerelement 1 bzw. die transparente Platte ein. Der Winkel α wird in einer möglichen Ausführungsform hierbei als Brewster-Winkel α ≈ 57° gewählt, wenn als Plattenmaterial Glas verwendet wird.
Nach dem Durchlauf durch die Platte trifft das Eintritts-Strahlenbündel S auf die zweite Grenzfläche 1.2, die zumindest im Auftreff-Teilbereich für das Eintritts-Strahlenbündel S als Strahlteilerfläche 1.3 ausgelegt ist. An der Strahlteilerfläche 1.3 erfolgt eine Aufspaltung des Eintritts-Strahlenbündels S in zwei Teilstrahlenbündel SR, ST. Das Teilstrahlenbündel SR wird hierbei an der Strahlteilerfläche 1.3 reflektiert und wieder in Richtung der ersten Grenzfläche 1.1 hin umgelenkt; das zweite Teilstrahlenbündel ST hingegen durchtritt die Strahlteilerfläche 1.3 in Richtung des Ausgleichselementes 2.
Auf der ersten Grenzfläche 1.1 ist zumindest im Auftreff-Teilbereich des Teilstrahlenbündels SR eine Reflektorfläche 1.4 angeordnet, an der dieses Teilstrahlenbündel SR wiederum in Richtung der zweiten Grenzläche 1.2 reflektiert wird, die es in einem transparenten Teilbereich durchtritt, so daß dort lediglich eine Brechung an der entsprechenden Grenzfläche beim Übergang vom Glas nach Luft erfolgt. Nach dem Verlassen des Strahlteilerelementes 1 liegt somit das erste Austritts-Strahlenbündel SA1 vor, das im weiteren - nicht gezeigten - Interferometerstrahlengang als Meß- oder Referenzstrahl eingesetzt werden kann.
Das an der Strahlteilerfläche 1.3 transmittierte Teilstrahlenbündel ST gelangt anschließend auf eine erste Grenzfläche 2.1 des Ausgleichselementes 2, wird an der Grenzfläche 2.1 gebrochen und durchläuft das Ausgleichselement 2 ohne weitere Ablenkung bis zur zweiten Grenzfläche 2.2, durch die es das Ausgleichselement 2 als zweites Austritts-Strahlenbündel SA2 verläßt. Das zweite Austritts-Strahlenbündel SA2 kann dann wiederum als Meßoder Referenzstrahlenbündel im weiteren Interferometerstrahlengang eingesetzt werden.
Das Ausgleichselement 2 ist in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls als planparallele Platte mit zwei zueinander parallelen Grenzflächen ausgebildet, d.h. die Eintritts- und Austritts-Grenzflächen 2.1, 2.2 sind hochexakt parallel zueinander orientiert. Als Material für das Ausgleichselement 2 eignen sich wiederum die bereits oben angegebenen Materialien für das Strahlteilerelement 1.
Die wesentliche optische Funktionen des Ausgleichselementes 2 ist nunmehr darin zu sehen, daß darüber sichergestellt werden kann, daß die beiden Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2 letztlich im wesentlichen die gleichen optischen Weglängen in den entsprechenden Elementen 1, 2 zurücklegen. Dies wird im dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch sichergestellt, daß die Dicke D2 des Ausgleichselement 2 doppelt so groß gewählt wird wie die Dicke D1 des Strahlteilerelementes 1.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich die obige Forderung wie erwähnt einfach durch die Wahl der doppelten Dicke D2 des Ausgleichselementes 2 im Vergleich zur Dicke D1 des Strahlteilerelementes 1 umsetzen, da die beiden Elemente aus dem gleichen Material bestehen. Allgemein muß demzufolge gewährleitet sein, daß die Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2 im wesentlichen die gleichen optischen Weglängen in den Elementen 1, 2 der Strahlteilerbaugruppe durchlaufen haben, wobei unter optischer Weglänge das Produkt aus geometrischer Weglänge und Brechungsindex verstanden sei. Durch eine derartige Auslegung des Ausgleichselementes 2 ist sichergestellt, daß auch im Fall von eventuellen Temperaturschwankungen die beiden Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2 in der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe den gleichen Einflüssen unterliegen und demzufolge auch identisch beeinflußt werden.
Als weiterer positiver Nebeneffekt ist im Zusammenhang mit der Funktion des Ausgleichselementes 2 aufzuführen , daß damit eine Vergrößerung des Abstandes A der beiden Austritts-Strahlenbündel SA1 und SA2 erreicht werden kann. Dadurch lassen sich die Strahlengänge der beiden Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2 an gewisse konstruktive Gegebenheiten des Interferometer-Aufbaus anpassen.
Als vorteilhaft erweist sich, das Ausgleichselement 2 geringfügig beabstandet vom Strahlteilerelement 1 anzuordnen, z.B. durch einen schmalen Luftspalt getrennt. Im Fall des hierzu alternativen Aufkittens dieses Elementes 2 auf das Strahlteilerelement 1 könnte eine Strahlscherung aufgrund eines sog. Kittfehlers, wie z.B. einer eventuellen keiligen Kittschicht, verursacht werden. Desweiteren würde das Aufkitten einen zusätzlichen Arbeitsgang in der Fertigung der Baugruppe darstellen.
Die Strahlteilerfläche 1.3 im Strahlteilerelement 1 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 polarisationsoptisch wirksam, d.h. die beiden Austritts-Strahlenbündel SA1 und SA2 weisen zueinander senkrecht orientierte Polarisationsrichtungen auf. Die Reflektorfläche 1.4 des Strahlteilerelementes 2 ist als hochreflektierendes dielektrisches Schichtpaket ausgebildet.
Wenn in einer derartigen Ausführungsform die Strahlteilerfläche derart ausgelegt wird, daß das transmittierte Teilstrahlenbündel ST eine p-Polarisation aufweist, so ergibt sich im Fall des oben erwähnten Einfallswinkels α ≈ 57° ein weiterer positiver Nebeneffekt. Es muß in diesem Fall dann keine reflexmindernde Beschichtung bzw. Vergütung auf den Grenzflächen 2.1, 2.2 des Ausgleichselementes 2 aufgebracht werden, d.h. es resultiert ein verringerter Fertigungsaufwand.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene Ausbildung der Strahlteilerfläche 1.3 bzw. der Reflektorfläche 1.4 keineswegs erfindungswesentlich ist.-Vielmehr sind auch bekannte Alternativen hierzu im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierbar. So kann die Strahlteilerfläche 1.3 etwa auch als sog. Neutralteiler ausgelegt werden, der sowohl dielektrisch als auch metallisch ausgebildet sein kann. Ebenso ist es möglich, die Reflektorfläche 1.4 als metallische Reflektorfläche zu realisieren, beispielsweise in Form einer Al- oder Ag-Beschichtung usw... In beiden Fällen ist lediglich die strahlaufteilende bzw. strahlreflektierende Wirkung der jeweiligen Flächen im Rahmen der vorliegenden Erfindung relevant.
Mit Hilfe der beiden Figuren 2a und 2b soll nachfolgend ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugrupe veranschaulicht werden. Gezeigt ist hierbei das in Figur 1 beschriebene Ausführungsbeispiel der Strahlteilerbaugruppe, wobei jeweils neben einem optimal eintretenden Eintritts-Strahlenbündel S ein weiteres Eintritts-Strahlenbündel S' dargestellt ist, das abweichend von der idealen Einfallsrichtung in die Strahlteilerbaugruppe eintritt. In der Praxis bedeutet dies, daß die Strahlteilerbaugruppe beispielsweise verdreht gegenüber dem Eintritts-Strahlenbündel S angeordnet ist.
Im Fall der Figur 2a tritt das Eintritts-Strahlenbündel S' hierbei unter dem Winkel Δα gegenüber der idealen Einfallsrichtung bzw. dem Eintritts-Strahlenbündel S in die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe bzw. das Strahlteilerelement 1 ein. Trotz der vorhandenen Abweichung resultieren aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen ausgangsseitig jedoch wiederum zwei Austritts-Strahlenbündel SA1', SA2', die exakt parallel zueinander orientiert sind, d.h. der Winkel β' zwischen den beiden Austritts-Strahlenbündeln SA1', SA2' ergibt sich wie im Ideal-Fall der beiden Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2 als β' = β = 0.
Im Fall der Verwendung eines herkömmlichen Kösters-Prismas würde in diesem Fall ein Winkel β ≠ 0 resultieren, was wiederum entsprechende Probleme bei der Justierung nachgeordneter Optikkomponenten zur Folge hätte.
In Figur 2b ist schließlich skizziert, wie sich ein eventueller Parallelversatz Δd des Eintritts-Strahlenbündels S' von der idealen Einfallsrichtung eines Eintritts-Strahlenbündels S auf die beiden Austritts-Strahlenbündel SA1', SA2' auswirkt. In der Praxis würde dies wiederum bedeuten, daß ein Parallelversatz der Strahlteilerbaugruppe gegenüber dem Eintritts-Strahlenbündel S' vorliegt, beispielsweise verursacht durch nicht-optimale Justage der Strahlteilerbaugruppe.
In Figur 2b ist nunmehr erkennbar, daß auch ein derartiger, eventueller Parallelversatz den Abstand der beiden Austritts-Strahlenbündel SA1', SA2' nicht beeinflußt; auch im Fall des vorliegenden Parallelversatzes Δd des Eintritts-Strahlenbündels S' ändert sich der Abstand A' zwischen den beiden AustrittsAustritts-Strahlenbündeln SA1', SA2' im Vergleich zum Idealfall mit dem Abstand A zwischen den beiden Austritts-Strahlenbündeln SA1, SA2 nicht, d.h. A' = A.
Demgegenüber wäre bei einem Kösters-Prisma in diesem Fall eine Änderung des Abstandes A' zu erwarten gewesen, was wiederum Probleme im nachfolgenden Strahlengang verursacht.
Eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers, in dem die oben beschriebene Strahlteilerbaugruppe eingesetzt wird, ist in Figur 3 gezeigt.
Das erfindungsgemäße Interferometer 50 umfaßt hierbei eine Lichtquelle 51, beispielsweise einen bekannten HeNe-Laser, dessen Ausgangsstrahl als Eintritts-Strahlenbündel S in die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe 100 eintritt. Diese ist identisch zum ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet, welches bereits in Figur 1 beschrieben wurde. Auf eine erneute detaillierte Beschreibung der Strahlteilerbaugruppe 100 sei deshalb an dieser Stelle verzichtet.
Die Strahlteilerbaugruppe 100 verlassen zwei parallele Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2. Hierbei gelangt das erste Austritts-Strahlenbündel SA1 in einen Referenzarm des Interferometers 50, in dem beabstandet von der Strahlteilerbaugruppe 100 ein stationärer Referenzreflektor 53 angeordnet ist. Der Referenzreflektor 53 ist hierbei vorzugsweise als bekanntes Tripelprisma ausgebildet.
Das zweite Austritts-Strahlenbündel wiederum tritt in den eigentlichen Meßarm des Interferometers 50 ein, in dem ein Meßreflektor 54 beweglich in Meßrichtung x angeordnet ist, dessen Relativ- oder ggf. Absolutposition zu bestimmen ist. Auch der Meßreflektor 54 ist als Tripelprisma ausgebildet.
Nach Reflexion der beiden Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2 an den beiden Reflektoren 53, 54 im Meß- und Referenzarm gelangen die rückreflektierten Strahlenbündel SA1R, SA2R wieder auf die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe 100. Diese wird nunmehr von den beiden Strahlenbündeln SA1R, SA2R in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, die an der Strahlteilerfläche 1.3 wieder zusammengeführt bzw. vereinigt werden. Das Paar interfererenzfähiger Strahlenbündel gelangt als Strahlenbündel SIF schließlich auf eine Detektoreinheit 55, die die auftretenden Interferenzsignale erfaßt und zur Weiterverarbeitung bzw. Positionsbestimmung an eine nachgeordnete Auswerteeinheit 56 übergibt. An dieser Stelle sei erwähnt, daß z.B. im Strahlengang der beiden interferenzfähigen Strahlenbündel noch weitere optische Elemente angeordnet sein können, die in Figur 3 jedoch nicht im einzelnen dargestellt sind. Hierbei kann es sich etwa um polarisationsoptische und strahlteilende Elemente handeln etc., die z.B. in bekannter Art und Weise zur Erzeugung phasenverschobener Interferenzsignale dienen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe sei nachfolgend anhand von Figur 4 erläutert.
Wiederum umfaßt die Strahlteilerbaugruppe im wesentlichen zwei Komponenten: ein Strahlteilerelement 21, ein Ausgleichselement 22.
Sowohl das Strahlteilerelement 21 als auch das Ausgleichselement 22 sind wie im vorherigen Ausführungsbeispiel als planparallele Platte ausgebildet, die aus den oben bereits angegebenen Materialien gefertigt wird.
Das Eintritts-Strahlenbündel S trifft wiederum auf eine erste Grenzfläche 21.1 des Strahlteilerelementes 21 auf. In diesem Bereich ist die erste Grenzfläche 21.1 nunmehr als Strahlteilerfläche 21.3 ausgebildet. Das Eintritts-Strahlenbündel S wird an der Strahlteilerfläche 21.3 in ein erstes Teilstrahlenbündel ST und ein zweites Teilstrahlenbündel SR aufgespalten.
Das erste Teilstrahlenbündel ST durchtritt die Strahlteilerfläche 21.3 und trifft nach Durchlaufen des Strahlteilerelementes 21 auf die zweite Grenzfläche 21.2 desselben auf, das in diesem Teilbereich als Reflektorfläche 21.4 ausgebildet ist. Von der Reflektorfläche 21.4 wird das Teilstrahlenbündel ST wiederum in Richtung der ersten Grenzfläche 21.1 zurückreflektiert, die in einem Teilbereich dann transmittiert wird und wo eine entsprechende Brechung beim Übergang von Glas nach Luft stattfindet. Nach dem Verlassen des Strahlteilerelementes 21 liegt ein erstes Austritts-Strahlenbündel SA1 vor.
Das an der Strahlteilerfläche 21.3 reflektierte, zweite Teilstrahlenbündel SR wird in Richtung des Ausgleichselementes 22 bzw. in Richtung einer ersten Grenzfläche 22.1 desselben umgelenkt. Das Teilstrahlenbündel SR durchläuft das Ausgleichselement 22 und tritt an der zweiten Grenzfläche 22.2 desselben als zweites Austritts-Strahlenbündel SA2 wieder aus diesem Bauteil 22 aus.
In Bezug auf die verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe sei auf die vorhergehende Beschreibung des ersten Ausführungsbeispieles verwiesen.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe sei nachfolgend anhand der Figur 5 erläutert, das im wesentlichen aus einer Kombination der beiden vorhergehenden Varianten resultiert. Diese unterschieden sich primär darin, daß einmal ein glasseitiger Einfall des Eintritts-Strahlenbündels auf die Strahlteilerfläche erfolgte (Figur 1), während im anderen Fall ein luftseitiger Einfall vorgesehen war (Figur 4).
Mit Hilfe der in Figur 5 dargestellten Variante der Strahlteilerbaugruppe läßt sich z.B. ein sog. Zwei-Achsen-Interferometer aufbauen, da ausgangsseitig zwei Paare mit jeweils zwei parallelen Austrittsstrahlenbündeln SA1, SA2, SB1, SB2 erzeugt werden. Je ein Paar der Austrittsstrahlenbündel SA1, SA2, SB1, SB2 dient zur Vermessung einer Koordinatenachse x oder y. Die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugrupe umfaßt nunmehr neben einem Strahlteilerelement 31 zwei weitere Ausgleichselemente 32A, 32B in jeder der beiden Austrittsrichtungen x, y. Die Ausgleichselemente 32A, 32B sind erneut als planparallele Platten mit mindestens zwei zueinander parallel orientierten Grenzflächen ausgebildet.
Das Eintritts-Strahlenbündel S trifft wiederum auf die erste Grenzfläche 31.1 des Strahlteilerelementes 31, die in diesem Teilbereich eine erste Strahlteilerfläche 31.3 aufweist. Während in den bisherigen Varianten das Strahlteilungsverhältnis an den jeweiligen Strahlteilerflächen im Regelfall als 1:1 gewählt wurde, ist nunmehr ein bestimmtes Verhältnis der Intensitäten der reflektierten und transmittierten Teilstrahlenbündel von Bedeutung. So wird die erste Strahlteilerfläche 31.3 so ausgebildet, daß das Intensitätsverhältnis I des reflektierten ersten Teilstrahlenbündels SR zum transmittierten zweiten Teilstrahlenbündel ST als I = 1:3 gewählt wird.
Das erste Teilstrahlenbündel SR wird an der Strahlteilerfläche 31.3 in Richtung des ersten Ausgleichselementes 32.B umgelenkt, tritt durch dessen erste Grenzfläche 32.B1 ein, durchläuft dieses und verläßt das erste Ausgleichselement 32.B als erstes Austritts-Stahlenbündel SB1 in (negativer) x-Richtung.
Das zweite Teilstrahlenbündel ST durchläuft das Strahlteilerelement 31 in Richtung der zweiten Grenzfläche 31.2 des Strahlteilerelementes 31 und trifft in einem Teilbereich auf, in dem eine zweite Strahlteilerfläche 31.5 angeordnet ist. Dieser Teilbereich wirkt wiederum teilreflektierend bzw. teiltransmitterend für das auftreffende Teilstrahlenbündel ST, wobei das Intensitätsverhältnis l aus reflektiertem zu transmittiertem Strahlanteil nunmehr als l = 2:1 gewählt wird. Es resultieren an der zweiten Strahlteilerfläche 31.5 demzufolge ein drittes und viertes Teilstrahlenbündel STT, STR.
Das zweite Teilstrahlenbündel STR wird wiederum in Richtung der ersten Grenzfläche 31.1 des Strahlteilerelementes 31 zurückreflektiert und trifft in einem Teilbereich derselben auf, die als Strahlteilerfläche 31.6 wirksam ist und nachfolgend als dritte Strahlteilerfläche 31.6 bezeichnet sei. Das Verhältnis l von reflektierter zur transmittierter Strahlintensität ist bei der dritten Strahlteilerfläche 31.6 als l = 1:1 gewählt.
Das an der dritten Strahlteilerfläche 31.6 transmittierte Teilstrahlenbündel verläßt schließlich das Strahlteilerelement 31 und damit die Strahiteilerbaugruppe als zweites Austrittsstrahlenbündel SB2 parallel zum ersten Austritts-Strahlenbündel SB1.
Das dritte Teilstrahlenbündel STT, das die zweite Strahlteilerfläche 31.5 durchtritt, gelangt nachfolgend das zweite Ausgleichselement 32.A. Nach dem Eintritt des Teilstrahlenbündels STT durch die erste Grenzfläche 32.A1 des Ausgleichselementes 32.A durchläuft das Teilstrahlenbündel STT das Ausgleichselement 32.A und verläßt das zweite Ausgleichselement 32.A durch die zweite Grenzfläche 32.A2 als drittes Austritts-Strahlenbündel SA2 in y-Richtung.
Das an der dritten Strahlteilerfläche reflektierte Teilstrahlenbündel STRR wird in Richtung der zweiten Grenzfläche 31.2 des Strahlteilerelementes 31 umgelenkt und durchtritt diese Grenzfläche 31.2 in einem Teilbereich, in dem lediglich eine Brechung beim Übergang von Glas nach Luft erfolgt. Es resultiert aus diesem Teilstrahlenbündel STRR das vierte Austritts-Strahlenbündel SA1, welches parallel zum dritten Austrittsstrahlenbündel SA2 orientiert ist.
Die beiden Paare von jeweils parallelen Austritts-Strahlenbündeln SA1, SA2, SB1, SB2 sind orthogonal zueinander orientiert und können in entsprechenden Interferometer-Anordnungen wiederum zur Bestimmung der Position eines Meßreflektors genutzt werden, wie dies z.B. anhand von Fig. 3 erläutert wurde.
Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers 60 ist in Figur 6 gezeigt. Diese Variante ermöglicht nunmehr nicht nur die Erfassung der Linearbewegung eines zu vermessenden Objektes sondern auch die gleichzeitige Messung einer eventuelle Rotationsbewegung einer linear verschiebbaren Baugruppe. Entsprechende Aufgabenstellungen liegen etwa im Bereich von Halbleiter-Fertigungssystemen vor, wie z.B. bei Wafer-Steppern etc..
Als wesentlicher Unterschied zur ersten erfindungsgemäßen Interferometer-Variante in Figur 3 ist aufzuführen, daß die in Figur 6 dargestellte Ausführungsform zwei als Tripelprisma ausgebildete Meßreflektoren 54A, 54B umfaßt, die zusammen in einer Baueinheit 55 angeordnet sind. Die Baueinheit 55 ist in x-Richtung verschiebbar gegenüber den restlichen Interferometer-Komponenten angeordnet; darüberhinaus kann aufgrund von Führungstoleranzen noch eine Rotation der Baueinheit 55 um die Achse z resultieren, die senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist. Sowohl die Verschiebung in x-Richtung als auch die Rotation um die z-Achse können mit Hilfe der zweiten erfindungsgemäßen Interferometer-Variante erfaßt werden.
Zu diesem Zweck sind bestimmte Modifikationen im Strahlengang im Vergleich zu den vorherigen Beispielen erforderlich, u.a. im Aufbau der eingesetzten Strahlteiler-Baugruppe 200, die nachfolgend erläutert werden sollen. Das erfindungsgemäße Interferometer 60 umfaßt eine Lichtquelle 61, die das Eintritts-Strahlenbündel S liefert, welches in die Strahlteilerbaugruppe 200 gelangt. Dieselbe weist nunmehr einen für diese Anwendung modifizierten Aufbau auf. So sind ähnlich zum Beispiel aus Figur 5 neben einem Strahlteilerelement 41 zwei Ausgleichselemente 42A, 42B vorgesehen, die in der gezeigten Art und Weise geringfügig beabstandet vom Strahlteilerelement 41 angeordnet sind. Das Strahlteilerelement 41, das erste Ausgleichselement 42A und das zweite Ausgleichselement 42B sind wiederum als planparallele Platten aus den oben aufgeführten Materialien ausgebildet. Auf derjenigen Grenzfläche des Strahlteilerelementes 41, die der Lichtquelle 61 zugewandt ist, sind insgesamt drei Teilbereiche als Reflektorflächen 41.1, 41.2, 41.3 ausgebildet; alternativ könnte an dieser Stelle selbstverständlich auch eine einzige durchgehende Reflektorschicht eingesetzt werden. Auf der gegenüberliegenden, zweiten Grenzfläche sind zwei Teilbereiche als Strahlteilerflächen 41.4, 41.5 ausgebildet; zwischen den Strahlteilerflächen 41.4, 41.5 ist ein weiterer Teilbereich als Reflektorfläche 41.6 ausgebildet. Die Strahlteilerflächen 41.4, 41.5 sind hinsichtlich des Strahlteilungsverhältnisses so ausgelegt, daß die letztlich zur Interferenz kommenden Teilstrahlenbündel möglichst die gleichen Intensitäten aufweisen.
Die dargestellte Variante der Strahlteilerbaugruppe 200 liefert ausgangsseitig drei parallele Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2, SA3. Zwei der Austritts-Strahlenbündel SA1, SA3 werden als Meßstrahlen genutzt, die auf die beiden Meßreflektoren 54A, 54B in der Baueinheit 55 auftreffen. Das dritte Austritts-Strahlenbündel SA2 wird als Referenzstrahl genutzt und trifft auf den stationären Referenzreflektor 63 auf, der ebenfalls als retroreflektierendes Tripelprisma ausgebildet ist. Nach Rückreflexion von den Reflektoren 54B und 63 gelangen die beiden rückreflektierten Strahlenbündel SA2R und SA3R auf die Strahlteilerbaugruppe 200 bzw. dort auf das zweite Ausgleichselement 42B und das Strahlteilerelement 41.
Das zurückreflektierte Strahlenbündel SA1R gelangt auf eine weitere Strahlteilerbaugruppe 300, die in Figur 6 lediglich schematisch angedeutet ist. Von der zweiten Strahlteilerbaugruppe 300 wird das Strahlenbündel SA1R wiederum in zwei parallele Austritts-Strahlenbündel SA1R1, SA2R2 aufgespalten, die dann auf das erste Ausgleichselement 42A auftreffen. Im Hinblick auf die zweite Strahlteiler-Baugruppe 300 ist lediglich anzuführen, daß darüber aus einem einfallenden Eintritts-Strahlenbündel zwei parallele Austritts-Strahlenbündel erzeugbar sein müssen. Beispielsweise könnte an dieser Stelle demzufolge eine erfindungsgemäße Strahlteiler-Baugruppe eingesetzt werden, wie sie anhand von Figur 1 beschrieben wurde.
Das von der zweiten Strahlteiler-Baugruppe 300 gelieferte Strahlenbündel SA1R1 wird im Strahlteilerelement 41 mit dem vom Meßreflektor 54B zurückreflektierten Strahlenbündel SA3R zusammengeführt; als interferenzfähiges erstes Paar von Strahlenbündeln gelangen diese beiden Strahlenbündel SA1R1, SA3R als Strahlenbündel SIFW auf eine erste Detektoreinheit 65.1. Das Strahlenbündel SIFW bzw. das entsprechende Interferenzsignal liefert hierbei die Information bezüglich einer eventuellen Rotation der Baueinheit 55 um die z-Achse.
Das von der zweiten Strahlteiler-Baugruppe 300 gelieferte Strahlenbündel SA1 R2 wird im Strahlteilerelement 41 mit dem vom stationären Meßreflektor 63 zurückreflektierten Strahlenbündel SA2R zusammengeführt; als interferenzfähiges zweites Paar von Strahlenbündeln gelangen diese beiden Strahlenbündel SA1 R2, SA2R als Strahlenbündel SIFL auf eine zweite Detektoreinheit 65.2. Das Strahlenbündel SIFL liefert die Information bezüglich einer linearen Verschiebung der Baueinheit 55 entlang der Meßrichtung x. Die von den beiden Detektoreinheiten 65.1, 65.2 erfaßten Interferenzsignale werden zur Weiterverarbeitung an eine nachgeordnete Auswerteeinheit 66 übergeben.
Im Hinblick auf die optischen Weglängen der verschiedenen Strahlenbündel, die zur Interferenz kommen gilt auch in diesem Beispiel, daß die jeweiligen optischen Weglängen im Interferometer, die z.B. in Glas und Luft zurückgelegt wurden, identisch sind. Hierzu wurde die Dicke des zweiten Ausgleichselementes 42B doppelt so groß gewählt wie die Dicke des Strahlteilerelementes 41; die Dicke des ersten Ausgleichselementes 42A wiederum ist viermal so groß gewählt wie die Dicke des Strahlteilerelementes 41. Im Hinblick auf die Definition der Dicken dieser Elemente sei auf das beschriebene Beispiel in Figur 1 verweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Abwandlung dieses Ausführungsbeispieles kann vorgesehen werden, die von den verschiedenen Reflektoren 54A, 54B, 63 zurückkommenden Strahlenbündel SA1 R, SA2R, SA3R nicht in der gleichen Ebene zurückzureflektieren, in der der die Strahlenbündel SA1, SA2, SA3 auf die Reflektoren 54A, 54B, 63 einfallen, d.h. in der Zeichenebene; es kann vielmehr ebenso vorgesehen werden, die Strahlenbündel SA1R, SA2R, SA3R senkrecht zur Einfallsebene zurück zur Strahlteiler-Baugruppe 200 zu reflektieren. Dies bietet Vorteile im Hinblick auf die resultierende Baugröße der Strahlteiler-Baugruppe 300 als auch hinsichtlich der Ausgestaltung der verschiedenen Strahlteiler- und Reflektorflächen in der Strahlteiler-Baugruppe 300.
Anschließend sei eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Interferometers anhand der Figur 7 erläutert. In den beiden oben erläuterten Interferometer-Ausführungsformen wurden als Reflektoren stets Tripelprismen eingesetzt, d.h. retroreflektierende Elemente. Nunmehr ist hingegen vorgesehen, zumindest in einem Interferometerarm einen Planspiegel als Reflektor einzusetzen, beispielsweise im Meßarm. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mit Hilfe des erfindungsgemäßen Interferometers Bewegungen in einer Ebene erfaßt werden sollen, d.h. beispielsweise eine gleichzeitige Bewegung in x- und y-Richtung. Um auch in diesem Fall eine interferometrische Positionsbestimmung zu ermöglichen, sind räumlich ausgedehnte Reflektoren erforderlich, damit auch im Fall einer gleichzeitigen Bewegung in x-und y-Richtung eine Rückreflexion vom jeweiligen Meßreflektor erfolgt. Zu diesem Zweck sind retroreflektierende Elemente wie Tripelprismen ungeeignet.
Das von einer in - Figur 7 nicht gezeigten - Lichtquelle kommende, linear polarisierte Eintritts-Strahlenbündel S gelangt hierbei zunächst wieder auf die Strahlteilerbaugruppe 400, die in dieser Ausführungsform neben dem Strahlteilerelement 71 und dem Ausgleichselement 72 noch ein weiteres Reflektorelement 75 umfaßt. Auf der dem einfallen Eintritts-Strahlenbündel S zugewandten Grenzfläche des Strahlteilerelementes 71 ist ein Teilbereich vorgesehen , der als Reflektorfläche 71.1 dient; auf der gegenüberliegenden Grenzfläche ist ein Teilbereich als Strahlteilerfläche 71.2 ausgelegt. In analoger Weise zum Ausführungsbeispiel in Figur 1 liefert die Strahlteilerbaugruppe 400 wiederum zwei parallele Austritts-Strahlenbündel SA1, SA2.
Das erste Austritts-Strahlenbündel SA1 gelangt im Referenzarm des Interferometers auf einen Referenzreflektor 73, der als retroreflektierendes Tripelprisma ausgelegt ist. Vom Referenzreflektor 73 wird das Strahlenbündel SA1R in Richtung der Strahlteilerbaugruppe 400 zurückreflektiert und mit einem zweiten Strahlenbündel SA2R' zusamengeführt, so daß ein Paar interferenzfähiger Strahlenbündel SIF auf die - in Figur 7 nicht gezeigt - Detektoreinheit gelangt.
Das zweite Interferenzstrahlenbündel SA2R' resultiert hierbei in nachfolgend erläuterter Weise aus dem zweiten Austritts-Strahlenbündel SA2, das die Strahlteilerbaugrupppe 400 in Richtung des in x-Richtung beweglichen Meßreflektors 74 verläßt. Wie bereits angedeutet ist der Meßreflektor 74 nunmehr als räumlich ausgedehnter Planspiegel ausgebildet.
Das nach wie vor linear polarisierte Austritts-Strahlenbündel SA2 durchläuft vor dem Auftreffen auf den Meßreflektor 74 ein polarisations-veränderndes Element 76 in Form einer λ/4-Platte, durch die es eine zirkulare Polarisation erhält. Nach der Rückreflexion am Meßreflektor 74 weist das Strahlenbündel SA2R eine entgegengesetzte zirkulare Polarisation auf. Nach nochmaligem Durchtritt durch die λ/4-Platte 76 liegt ein linear-polarisiertes Strahlenbündel vor, wobei die Polarisationsebene senkrecht zu derjenigen des ursprünglichen Eintritts-Strahlenbündels S orientiert ist. Nach Durchlauf durch das Ausgleichselement 72 trifft das derart polarisierte Strahlenbündel SA2R auf die Strahlteilerfläche 71.2 auf und wird nunmehr vollständig in Richtung des retroreflektierenden Reflektorelementes 75 reflektiert. Nach Zurückreflexion über das Reflektorelement 75 auf die Strahlteilerfläche 71.2 erfolgt eine nochmalige vollständige Reflexion in Richtung des Ausgleichselementes 72, ehe das Strahlenbündel SA2' die Strahlteilerbaugruppe 400 in Richtung des Meßreflektors 74 verläßt. Nach Durchlauf durch die λ/4-Platte 76 liegt wiederum ein zirkular polarisiertes Strahlenbündel vor, das auf den Meßreflektor 74 auftrifft. Nach der Rückreflexion am Meßreflektor besitzt das Strahlenbündel SA2R' wiederum die umgekehrte zirkulare Polarisation; nach Durchlauf durch die λ/4-Platte 76 ist das Strahlenbündel SA2R' linear-polarisiert, wobei die Polarisationsebene nunmehr senkrecht zur Polarisationsebene des Strahlenbündels SA1R ist, mit dem es schließlich überlagert wird. Hierzu wird das Strahlenbündel SA2R' nach Durchlaufen des Ausgleichselementes 72 und Transmission durch die Strahlteilerfläche 71.2 mit dem Strahlenbündel SA1R innerhalb des Strahlenbündels SIF zusammengeführt, welches schließlich auf die Detektoreinheit gelangt und das verschiebungsabhängige Interferenzsignal liefert. In dieser Variante des erfindungsgemäßen Interferometers wird die Forderung nach gleichen zurückgelegten optischen Weglängen in Glas und Luft ebenfalls eingehalten, obwohl das Strahlteilerelement 71 und das Ausgleichselement 72 innerhalb der Strahlteilerbaugruppe die gleiche Dicke aufweisen. Aufgrund des zwei- bzw. viermaligen Durchlaufs durch das Ausgleichselement 72 wird die obige Forderung jedoch auch in dieser Konfiguration erfüllt.
In einer möglichen Abwandlung der Interferometer-Variante in Fig. 7 ist es ferner möglich, diese als Differential-Planspiegel-Interferometer auszubilden. Hierzu wäre ergänzend zum Beispiel in Figur 7 i.w. ein zweiter Planspiegel-Meßreflektor zum dort vorgesehenen Meßreflektor 74 erforderlich, auf den dann eines der beiden Austritts-Strahlenbündel SA2, SA2' auftrifft.
Eine weitere Abwandlung des Interferometer-Ausführungsbeispiels aus Figur 7 ist schließlich in Figur 8 gezeigt. Wiederum ist der bewegliche Meßreflektor 84 als Planspiegel ausgebildet, während als stationärer Referenzreflektor 83 ein Tripelprisma dient.
Das vierte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Interferometers entspricht mit Ausnahme eines zweiten Reflektorelementes 85.2 in der Strahlteilerbaugruppe 500 im wesentlichen dem Aufbau des vorherigen, dritten Ausführungsbeispieles. Hierbei umfaßt die Strahlteilerbaugruppe 500 wiederum ein Strahlteilerelement 81 mit Grenzflächen-Teilbereichen, die als Reflektorflächen 81.1 und als Strahlteilerflächen 81.2 wirksam sind. Ferner ist wie im Beispiel der Figur 7 ein polarisations-änderndes, optisches Element 86 in Form einer λ/4-Platte im Meßarm angeordnet.
Durch die gezeigte Anordnung des zweiten Reflektorelementes 85.2 wird letztlich ein zweiter Durchlauf der Strahlenbündel durch sämtliche Interferometer-Komponenten bewirkt, ehe ein Paar interferierender Strahlenbündel SIF auf eine wiederum nicht gezeigte Detektoreinheit gelangt. Als wesentlicher Effekt dieses zweimaligen Durchlaufes der verschiedenen Strahlenbündel durch die verschiedenen Interferometer-Komponenten resultiert eine halbierte Signalperiode im erzeugten Interferenzsignal im Vergleich zum vorherigen Beispiel. Es ist mit dieser Variante des erfindungsgemäßen Interferometers somit eine Auflösungssteigerung bei der Positionsbestimmung möglich.
Ebenso wäre wie im vorhergehenden Beispiel wiederum möglich, diese Variante als Differential-Planspiegel-Interferometer auszubilden. Hierzu wäre wie oben i.w. ein zweiter Planspiegel-Meßreflektor erforderlich, auf den dann zwei der vier entsprechenden Austritts-Strahlenbündel SA2, SA2' auftreffen.
Die vorliegende Erfindung ist somit keinesfalls auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele beschränkt; vielmehr existieren im Rahmen der Lehre vorliegender Erfindung eine Reihe vorteilhafter Ausführungsmöglichkeiten.

Claims (20)

  1. Strahlteilerbaugruppe, inbesondere für ein Interferometer, um ein darauf auftreffendes Eintritts-Strahlenbündel (S) in mindestens ein erstes und mindestens ein hierzu paralleles zweites Austritts-Strahlenbündel (SA1, SA2; SB1, SB2) aufzuteilen, wobei die Strahlteilerbaugruppe mindestens ein Strahlteilerelement (1; 21; 31; 41; 71; 81) und mindestens ein Ausgleichselement (2; 22; 32.A, 32.B; 42A, 42B; 72; 82) umfaßt und das Strahlteilerelement (1; 21; 31; 41; 71; 81) aus einer transparenten Platte besteht, die zwei parallele Grenzflächen (1.1, 1.2; 21.1, 21.2; 31.1, 31.2) aufweist, von denen eine Grenzfläche (1.2; 21.1; 31.1, 31.2) zumindest teilweise als Strahlteilerfläche (1.3; 21.3; 31.3, 31.5, 31.6; 41.3, 41.4, 41.5; 71.2; 81.2) und eine weitere, zur erstgenannten Grenzfläche (1.2; 21.1; 31.1, 31.2) parallele Grenzfläche (1.1; 21.2; 31.1, 31.2) zumindest in einem Teilbereich als zumindest teilreflektierende Reflektorfläche (1.4; 21.4; 31.3, 31.5, 31.6; 41.1, 41.2; 71.1; 81.1) wirkt und das Ausgleichselement (2; 22; 32.A, 32.B; 42A, 42B; 72; 82) derart in Bezug auf das Strahlteilerelement (1; 21; 31; 41; 71; 81) angeordnet ist, dass mindestens zwei Austritts-Strahlenbündel (SA1, SA2; SB1, SB2) parallel zueinander verlaufen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Ausgleichselement (2; 22; 32.A, 32.B; 42A, 42B; 72; 82) desweiteren derart dimensioniert ist, dass die Austritts-Strahlenbündel (SA1, SA2; SB1, SB2) im wesentlichen die gleichen optischen Weglängen im Strahlteilerelement (1; 21; 31; 41; 71; 81) und im Ausgleichselement (SA1, SA2; SB1, SB2; 42A, 42B; 72; 82) durchlaufen haben.
  2. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilerfläche (1.3; 21.3; 31.3, 31.5, 31.6; 41.3, 41.4, 41.5; 71.2; 81.2) eine Aufspaltung des darauf auftreffenden Eintritts-Strahlenbündels (S) in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teil-Strahlenbündel (SR, ST; STR, STT, STRR) bewirkt.
  3. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilerfläche (1.3; 21.3; 31.3, 31.5, 31.6; 41.3, 41.4, 41.5; 71.2; 81.2) eine Aufspaltung des darauf auftreffenden Eintritts-Strahlenbündels (S) in identisch polarisierte Teil-Strahlenbündel (SR, ST; STR, STT, STRR) bewirkt.
  4. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorfläche (1.4; 21.4; 31.3, 31.5, 31.6; 41.1, 41.2; 71.1; 81.1) als hochreflektierendes dielektrisches Schichtpaket ausgebildet ist.
  5. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (2; 22; 32.A, 32.B; 42A, 42B; 72; 82) beabstandet vom Strahlteilerelement (1; 21; 31; 41; 71; 81) angeordnet ist.
  6. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Ausgleichselement (2; 22; 32.A, 32.B; 42A, 42B; 72; 82) als planparallele Platte ausgebildet ist, durch deren parallele Grenzflächen
    (2.1, 2.2; 22.1, 22.2; 32.A1, 32.A2, 32.B1, 32.B2) die Strahlenbündel ein- und austreten.
  7. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilerelement (1) und das Ausgleichselement (2) in Bezug auf das darauf einfallende Eintritts-Strahlenbündel (S) dergestalt ausgebildet und angeordnet sind, dass das Eintritts-Strahlenbündel (S) unter einem definierten Einfallswinkel (α) gegen das Lot (L) auf eine erste Grenzfläche (1.1) in das Strahlteilerelement (1) eintritt und nach dem Durchlaufen auf die Strahlteilerfläche (1.3) auf der zweiten Grenzfläche (1.2) auftrifft, von wo
    ein erstes Teilstrahlenbündel (SR) in Richtung der ersten Grenzfläche (1.1) zur Reflektorfläche (1.4) zurückreflektiert wird und von dort wiederum in Richtung der zweiten Grenzfläche (1.2) reflektiert wird, die es in einem transparenten Bereich durchtritt und die Strahlteilerbaugruppe als erstes Austritts-Strahlenbündel (SA1) verläßt, und
    ein zweites Teilstrahlenbündel (ST) die Strahlteilerfläche (1.3) durchtritt und auf eine erste Grenzfläche (2.1) des Ausgleichselementes (2) auftrifft, dieses durchläuft und an einer zweiten Grenzfläche (2.2) als zweites Austritts-Strahlenbündel (SA2) verläßt.
  8. Strahlteilerbaufgruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (α) dem Brewster-Winkel entspricht.
  9. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D2) des Ausgleichselementes (2) die doppelte Dicke (D1) des Strahlteilerelementes (1) aufweist.
  10. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilerelement (21) und das Ausgleichselement (22) in Bezug auf das darauf einfallende Eintritts-Strahlenbündel (S) dergestalt ausgebildet und angeordnet sind, dass das Eintritts-Strahlenbündel (S) unter einem definierten Einfallswinkel gegen das Lot auf eine erste Grenzfläche (21.1) des Strahlteilerelementes (21) auftrifft, die in diesem Bereich als Strahlteilerfläche (21.3) wirkt, von wo
    ein erstes Teilstrahlenbündel (ST) die Strahlteilerfläche (21.3) durchtritt und auf die gegenüberliegende zweite Grenzfläche (21.2) des Strahlteilerelementes (21) auftrifft, die in diesem Bereich als Reflektorfläche (21.4) wirkt und von dort wiederum in Richtung der ersten Grenzfläche (21.1) des Strahlteilerelementes (21) reflektiert wird, die es in einem transparenten Bereich durchtritt und die Strahlteilerbaugruppe als erstes Austritts-Strahlenbündel (SA1) verläßt, und
    ein zweites Teilstrahlenbündel (SR) von der Strahlteilerfläche (21.3) in Richtung des Ausgleichselementes (22) reflektiert wird und auf eine erste Grenzfläche (22.1) des Ausgleichselementes (22) auftrifft, dieses durchläuft und an einer zweiten Grenzfläche (22.2) als zweites Austritts-Strahlenbündel (SA2) verläßt.
  11. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilerelement (31) und zwei Ausgleichselemente (32.A, 32.B) in Bezug auf das darauf einfallende Eintritts-Strahlenbündel (S) dergestalt ausgebildet und angeordnet sind, dass das Eintritts-Strahlenbündel (S) unter einem definierten Einfallswinkel gegen das Lot auf eine erste Grenzfläche (31.1) des Strahlteilerelementes (31) auftrifft, die in diesem Bereich als erste Strahlteilerfläche (31.3) wirkt, von wo
    ein erstes Teilstrahlenbündel (SR) von der ersten Strahlteilerfläche (31,3) in Richtung des ersten Ausgleichselementes (32.B) reflektiert wird und auf eine erste Grenzfläche (32.B1) des ersten Ausgleichselementes (32.B) auftrifft, dieses durchläuft und an einer zweiten Grenzfläche (32.B2) als erstes Austritts-Strahlenbündel (SB1) verläßt,
    ein zweites Teilstrahlenbündel (ST) die erste Strahlteilerfläche (31.3) durchtritt, das Strahlteilerelement (31) in Richtung der zweiten Grenzfläche (31.2) durchläuft und dort in einem Teilbereich auftrifft, der als zweite Strahlteilerfläche (31.5) wirkt und von wo
    ein drittes Teilstrahlenbündel (STR) in Richtung der ersten Grenzfläche (31.1) zurückreflektiert wird, wo es auf einen Teilbereich auftrifft, der als dritte Strahlteiterfläche (31.6) wirkt und von wo
    ein fünftes Teilstrahlenbündel die dritte Strahlteilerfläche (31.6) durchtritt und die Strahlteilerbaugruppe als zweites Austritts-Strahlenbündel (SB2) verläßt, welches parallel zum ersten Austritts-Strahlenbündel (SB1) orientiert ist und
    ein an der zweiten Strahlteilerfläche (31.5) transmittiertes, viertes Teilstrahlenbündel (STT) auf eine erste Grenzfläche (32.A1) des zweiten Ausgleichselementes (32.A) auftrifft, dieses durchläuft und an einer zweiten Grenzfläche (32.A2) das zweite Ausgleichselement (32.A) als drittes Austrittsstrahlenbündel (SA2) verläßt und
    ein an der dritten Strahlteilerfläche (31.6) reflektiertes, sechstes Teilstrahlenbündel (STRR) in Richtung der zweiten Grenzfläche (31.2) des Strahlteilerelementes (31) umgelenkt wird, die es in einem transparenten Bereich durchtritt und die Strahlteilerbaugruppe als viertes Austritts-Strahlenbündel (SA1) verläßt, welches parallel zum dritten Austritts-Strahlenbündel (SA2) orientiert ist.
  12. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Austritts-Strahlenbündel (SB1, SB2) senkrecht zu den beiden dritten und vierten Austritts-Strahlenbündeln (SA1, SA2) orientiert sind.
  13. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilerbaugruppe (300) zwei Ausgleichselemente (42A, 42B) umfaßt, durch die zwei Austritts-Strahlenbündel (SA1, SA2) die Strahlteilerbaugruppe (300) parallel zueinander verlassen, während ein drittes Austritts-Strahlenbündel (SA3) das Strahltelterelement (41) verläßt, welches ebenfalls parallel zu den beiden erstgenannten Austritts-Strahlenbündeln (SA1, SA2) orientiert ist.
  14. Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilerbaugruppe (400; 500) mindestens ein vom Strahlteilerelement (71; 81) und vom Ausgleichselement (72; 82) separat angeordnetes retroreflektierendes Reflektorelement (75; 85.1, 85.2) umfaßt, welches ein von einer Strahlteilerfläche (71.2, 81.2) des Strahlteilerelementes (71; 81) kommendes Strahlenbündel wieder auf die Strahlteilerfläche (71.2, 81.2) zurückreflektiert.
  15. Verwendung einer Strahlteilerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Interferometer.
  16. Interferometer mit
    einer Lichtquelle (51),
    mindestens einem stationären Referenzreflektor (53) im Referenzarm,
    mindestens einem in Meßrichtung (x) beweglichen Meßreflektor (54) im Meßarm,
    einer Detektoreinheit (55) zur Erfassung eines positionsabhängigen Interferenzsignales,
    einer Auswerteeineit (56) zur Weiterverarbeitung des erfaßten Interferenzsignales sowie
    mindestens einer Strahlteilerbaugruppe (100), zur Aufteilung eines von der Lichtquelle (51) emittierten und darauf auftreffenden Eintritts-Strahlenbündels (S) in mindestens ein erstes und mindestens ein hierzu paralleles zweites Austritts-Strahlenbündel (SA1, SA2; SB1, SB2), wobei die Strahlteilerbaugruppe (100) mindestens ein Strahlteilerelement (1; 21; 31; 41; 71; 81) und mindestens ein Ausgleichselement (2; 22; 32A, 32B; 42A, 42B; 72; 82) umfaßt und das Strahlteilerelement (1; 21; 31; 41; 71; 81) aus einer transparenten Platte besteht, die zwei parallele Grenzflächen aufweist, von denen eine Grenzfläche zumindest teilweise als Strahlteilerfläche und eine weitere, zur erstgenannten Grenzfläche parallele Grenzfläche zumindest in einem Teilbereich als zumindest teilreflektierende Reflektorfläche fungiert und das Ausgleichselement (2; 22; 32A, 32B; 42A, 42B; 72; 82) derart in Bezug auf das Strahlteilerelement (1; 21; 31; 41; 71; 81) angeordnet ist, dass mindestens zwei Austritts-Strahlenbündel (SA1, SA2; SB1, SB2) parallel zueinander verlaufen,
       dadurch gekennzeichnet, dass
    die Austritts-Strahlenbündel (SA1, SA2; SB1, SB2) im wesentlichen die gleichen optischen Weglängen im Interferometer durchlaufen haben, ehe sie auf die Detektoreinheit (55) gelangen.
  17. Interferometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang mindestens eines Austritts-Strahlenbündels ein optisches Element angeordnet ist, welches derart dimensioniert ist, dass darüber optische Weglängen für dieses Austritts-Strahlenbündel aus der Strahlteilerbaugruppe einstellbar ist.
  18. Interferometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element als planparallele Platte ausgebildet ist.
  19. Interferometer nach Anspruch 16 mit einer Strahlteilerbaugruppe (300) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Austritts-Strahlenbündel (SA1, SA3) zwei Meßreflektoren (54A, 54B) beaufschlagen, die gemeinsam in einer Baueinheit (55) angeordnet sind, die linear in Meßrichtung (x) verschiebbar und drehbar um eine Achse (z) senkrecht zur Meßrichtung (x) angeordnet ist.
  20. Interferometer nach Anspruch 16 mit einer Strahlteilerbaugruppe (400; 500) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Reflektoren (74; 84) als Planspiegel ausgebildet ist.
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